Deformazione plastica dei materiali

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1 Deformazione plastica dei materiali È una trasformazione che interessa un materiale allo stato solido che può avvenire a diverse temperature Esistono, nell ambito della deformazione plastica due tipi di processo: Processi primari per la trasformazione del materiale da fuso in semilavorati di tipo commerciale Processi secondari per la trasformazione dei semilavorati commerciali nei pezzi specifici LIUC - Ingegneria Gestionale 1

2 Comportamento dei materiali La curva della prova di trazione è tra le più significative per comprendere il comportamento dei materiali. Presenta: Un primo tratto caratterizzato da comportamento elastico Una fase di snervamento Un tratto caratterizzato da deformazioni di tipo plastico e dal fenomeno dell incrudimento, Il carico massimo Il fenomeno della strizione La rottura LIUC - Ingegneria Gestionale 2

3 Sforzo - deformazione LIUC - Ingegneria Gestionale 3

4 Caratteristiche dei materiali I processi di deformazione plastica utilizzano la capacità del materiale di deformarsi prima di rompersi La deformazione plastica avviene quando il materiale si trova nel tratto di curva tra lo snervamento e il carico massimo LIUC - Ingegneria Gestionale 4

5 Classificazione dei processi di deformazione plastica A freddo Avviene a temperatura ambiente Il materiale di fatto si scalda ugualmente durante la deformazione Svantaggi Piccole deformazioni Maggiori forze e potenze Vantaggi: Miglior finitura superficiale Precisione dimensionale A caldo Avviene normalmente a temperature non molto lontane dalla fusione. Ovviamente prevede il riscaldamento del materiale prima di effettuare la deformazione Vantaggi: Necessarie minori forze e potenze Possibilità di grandi deformazioni Svantaggi: Energia spesa per il riscaldamento Ossidazione dei metalli con conseguente cattiva finitura Poca precisione dimensionale LIUC - Ingegneria Gestionale 5

6 Lavoro di deformazione LIUC - Ingegneria Gestionale 6

7 Lavoro di deformazione Il lavoro di deformazione è esprimibile con la formula W = σdε LIUC - Ingegneria Gestionale 7

8 Lavorazioni per deformazione plastica LIUC - Ingegneria Gestionale 8

9 Laminazione È un processo impiegato nell industria siderurgica per la trasformazione del materiale colato (lingotti o colata in continuo) in semilavorati commerciali I prodotti più comuni sono: Blumi: sezione quadrata, lato >130 mm Billette: sezione quadrata, lato mm Bramme: sezione rettangolare, lato min. -100mm Profilati speciali: semitondi, etc, lunghezza 6m Barre: sez. quadrata, rettangolare, esagonale, ottogonale e piatti Lamiere: in tutti i formati, sottili (<3mm) e grosse (>3mm) in fogli Vergella: tondino con diametro nominale > 5mm in rotoli Travi: ad I, H, U, T, L Nastri: avvolti in rotolo, larghi (>600mm) o stretti (<600mm) Materiale ferroviario LIUC - Ingegneria Gestionale 9

10 Laminazione Il materiale è costretto a passare dentro due cilindri contro-rotanti che ne riducono la sezione ed incrementano la lunghezza La sollecitazione principale è quella di compressione LIUC - Ingegneria Gestionale 10

11 Schema di laminazione LIUC - Ingegneria Gestionale 11

12 Linee o treni di laminazione LIUC - Ingegneria Gestionale 12

13 Cilindri di laminazione Sono di diversi tipi: Lisci: per prodotti piatti (nastri e lamiere) Scanalati: per profili specifici, a loro volta Aperti Chiusi Le pareti laterali devono presentare angoli di spoglia di almeno 1-2 LIUC - Ingegneria Gestionale 13

14 Laminazione di tubi I tubi si ottengono dal pieno mediante laminazione attraverso due operazioni di base: Produzione del forato a pareti spesse mediante laminazione con spina interna di un lingotto pieno Stiratura e finitura con riduzione dello spessore esterno attraverso laminazione con o senza spina LIUC - Ingegneria Gestionale 14

15 Produzione del forato Metodo Mannesmann o della laminazione obliqua: Cilindri a tronco di cono con assi obliqui Azione di pressione P progressivamente crescente Azione tangenziale T che sviluppa un a componente assiale A = T senα che consente l avanzamento del pezzo Forza di trazione massima al centro della sezione circolare del pieno che, guidata dalla spina, provoca la generazione del foro centrale LIUC - Ingegneria Gestionale 15

16 Metodo di Mannesmann LIUC - Ingegneria Gestionale 16

17 Laminazione a freddo di nastri Si applica su nastri già laminati a caldo con l obiettivo di Ridurne ulteriormente lo spessore (fino 0,5 mm) Migliorare la resistenza meccanica È preceduta da un operazione di decapaggio per eliminare qualunque forma di ossido È realizzata con 4/5 gabbie successive che esercitano sul nastro, un azione di compressione e di tiraggio progressivo fino alla bobina finale di avvolgimento LIUC - Ingegneria Gestionale 17

18 Laminazione a freddo di nastri LIUC - Ingegneria Gestionale 18

19 Estrusione Consiste nel processo di compressione di un massello cilindrico di materiale a temperatura ambiente (estrusione a freddo) o riscaldato (estrusione a caldo) mediante una pressa così da farlo fluire attraverso un foro in sagoma (matrice) avente sezione uguale al semilavorato che si desidera ottenere LIUC - Ingegneria Gestionale 19

20 Processo di estrusione LIUC - Ingegneria Gestionale 20

21 Matrice di estrusione Il foro presenta un collare calibrato con duplice funzione: Rifinire e stabilizzare la superficie del profilato Evitare la rapida usura della matrice Il collare non deve essere eccessivamente esteso per non creare troppo attrito LIUC - Ingegneria Gestionale 21

22 Estrusione di tubi L estrusione è un processo utilizzato anche per la produzione di tubi, partendo: Da un forato utilizzando l estrusione diretta Da un pieno utilizzando l estrusione inversa ed ottenendo un estruso a bicchiere LIUC - Ingegneria Gestionale 22

23 Estrusione da forato Il forato viene inserito nel contenitore ove il pistone è munito di mandrino con diametro pari al diametro interno del tubo da ottenere Il materiale deve fluire tra la matrice ed il mandrino ottenendo il profilo richiesto LIUC - Ingegneria Gestionale 23

24 Estrusione da pieno LIUC - Ingegneria Gestionale 24

25 Trafilatura È un procedimento di deformazione plastica a freddo ove il materiale è soggetto ad una forza di trazione che lo costringe attraverso un foro calibrato in sagoma detto filiera (o trafila) Consente di ottenere prodotti finiti con notevole precisione dimensionale e finitura superficiale quali: Fili Barre tonde o profilate Tubi Nastri LIUC - Ingegneria Gestionale 25

26 Filiera LIUC - Ingegneria Gestionale 26

27 Schema di trafilatrice LIUC - Ingegneria Gestionale 27

28 Trafilatura di barre La trafilatura delle barre serve per ottenere: Buona finitura superficiale Ottima tolleranza dimensionale LIUC - Ingegneria Gestionale 28

29 Trafilatura di tubi Serve per ridurre o espandere il diametro di tubi precedentemente ottenuti per laminazione, estrusione, saldatura Generalmente utilizzata a freddo o a caldo per ottenere tubi di grande diametro senza saldatura LIUC - Ingegneria Gestionale 29

30 Trafilatura con riduzione di diametro Necessario operare per più passate Creare un imbocco di presa a collo di bottiglia Velocità di trafila di circa m/min Dimensioni lavorabili da 1mm a 400mm Uso di un lubrificante per operazioni a freddo LIUC - Ingegneria Gestionale 30

31 Fucinatura Processo utilizzato normalmente per produrre pezzi di grandi dimensioni che non necessitano di tolleranze dimensionali troppo strette Consiste nella deformazione a caldo a più riprese di pezzi metallici di volta in volta riportati nelle condizioni di temperatura richieste Le macchine usate per fucinare sono i magli LIUC - Ingegneria Gestionale 31

32 Magli Sono utilizzati per fucinatura e stampaggio a caldo. Sono costituiti da: Mazza preposta alla deformazione del pezzo Incudine su cui poggia il pezzo Incastellatura su cui viene sollevata la mazza mediante apposite guide Sulla mazza e sull incudine vengono montati utensili semplici atti a dar luogo ad operazioni di schiacciatura, arrotondamento, piegatura, taglio,. La deformazione è ottenuta per trasformazione dell energia cinetica dalla mazza: In caduta libera (semplice effetto) Ulteriormente accelerata da un fluido in pressione (doppio effetto) LIUC - Ingegneria Gestionale 32

33 Schema di maglio a semplice effetto LIUC - Ingegneria Gestionale 33

34 Stampaggio Consiste nell obbligare, mediante compressione, un pezzo metallico ad occupare la cavità generata dalle due metà di uno stampo riproducente il pezzo da ottenere È un processo per produzione di grande serie dati gli investimenti in macchine e attrezzature È eseguito nella maggior parte dei casi a caldo per ridurre le forze necessarie Il materiale in eccesso fluisce nei canali di bava LIUC - Ingegneria Gestionale 34

35 Fasi dello stampaggio a caldo Riscaldo del materiale di partenza in appositi forni, teso ad aumentarne le caratteristiche plastiche Eventuale sbozzatura del pezzo o deformazione preliminare (p.e.: mediante fucinatura) al fine di preparare la forma per lo stampaggio finale Stampaggio vero e proprio a dare la forma finale Tranciatura delle bave formatesi Eliminazione di eventuali scorie superficiale (ad es. con sabbiatura) LIUC - Ingegneria Gestionale 35

36 Presse Caratteristiche tecniche: Energia disponibile (J): energia fornita dalla macchina tramite il movimento dell elemento mobile Forza disponibile (N): forza che la mazza può erogare sul pezzo Rendimento: energia disponibile/energia erogata (tiene conto delle perdite per gli attriti e le deformazioni elastiche della macchina) Numero di colpi nell unità di tempo: produttività della macchina LIUC - Ingegneria Gestionale 36

37 Linea di stampaggio LIUC - Ingegneria Gestionale 37

38 Progettazione stampi LIUC - Ingegneria Gestionale 38

39 Progettazione degli stampi: piano di divisione Scelta del piano di divisione che può coincidere con: Un asse di simmetria del pezzo La normale all asse di rotazione nel caso di solidi di rivoluzione Un piano ove non sussistano sottosquadri che possono essere risolti altrimenti con costosi movimenti di tasselli Il piano di bava considerando la natura fibrosa del reticolo cristallino LIUC - Ingegneria Gestionale 39

40 Esempi di piani di divisione LIUC - Ingegneria Gestionale 40

41 LIUC - Ingegneria Gestionale 41

42 Progettazione degli stampi: sovrametalli Dimensionamento dei sovrametalli nel caso di successiva lavorazione su macchine utensili Lo spessore è da valutarsi in funzione di: Dimensioni del pezzo Ossidazione del materiale con la temperatura Potenziali difetti superficiali Eventuale irregolarità di riempimento Tolleranze dimensionali Problemi di ritiro Tipo di macchina utilizzata per lo stampaggio Tipo di lavorazioni successive (fresatura, tornitura, ) LIUC - Ingegneria Gestionale 42

43 Progettazione degli stampi: angoli di sformo Occorre evitare pareti di sformo perpendicolari al piano di bava mediante opportuni angoli di sformo: 7-9 gradi nei casi più normali gradi nel caso di nervature con elevato rapporto altezza/spessore Le difficoltà maggiori esistono sulle superfici interne che sono oggetto di ritiro che, a differenza di quelle esterne, tendono ad aggrapparsi allo stampo LIUC - Ingegneria Gestionale 43

44 Angoli di sformo LIUC - Ingegneria Gestionale 44

45 Progettazione degli stampi: raggi di raccordo Occorre evitare spigoli vivi ed introdurre ampi raggi di raccordo per più ragioni: Diminuire i punti di concentrazione di tensioni con il rischio di cricche specie in concomitanza a fenomeni di raffreddamento Facilitare il riempimento delle cavità dello stampo riducendo dunque la forza necessaria Evitare distacchi del materiale dalle pareti dello stampo che possono dar luogo a difetti Uno spigolo vivo nello stampo è sempre soggetto a fenomeni di usura sia meccanica sia termica LIUC - Ingegneria Gestionale 45

46 Progettazione degli stampi: il canale di bava Il canale di bava è una appendice tra le due metà dello stampo di forma opportuna atta a più funzioni: 1. Raccogliere il materiale in eccedenza previsto per poter riempire con certezza tutta la forma 2. Favorire il completo riempimento dello stampo 3. Formare un cuscinetto di materiale che impedisce l urto tra stampi durante la chiusura LIUC - Ingegneria Gestionale 46

47 LIUC - Ingegneria Gestionale 47

48 Progettazione degli stampi: fori e cavità Fori e cavità passanti non possono essere ottenuti direttamente per stampaggio. Occorre prevedere una fase successiva di tranciatura, di fatto già necessaria per l eliminazione delle bave LIUC - Ingegneria Gestionale 48

49 Sbavatura e generazione di fori e cavità passanti LIUC - Ingegneria Gestionale 49

50 Progettazione degli stampi: passaggi intermedi Raramente è possibile realizzare un pezzo finito partendo dal materiale grezzo in una sola operazione; molto più spesso è necessario operare con passaggi successivi Ciò comporta studiare le operazioni che è necessario compiere in successione per arrivare al prodotto desiderato LIUC - Ingegneria Gestionale 50

51 Lavorazione a freddo delle lamiere È il processo più diffuso per la produzione di grande serie di componentistica metallica tipica del settore automobilistico, degli elettrodomestici e delle attrezzature in generale. Più in dettaglio, le lavorazioni delle lamiere sono di: Tranciatura o punzonatura Piegatura Imbutitura Curvatura o calandratura Profilatura LIUC - Ingegneria Gestionale 51

52 Tranciatura È un operazione in grado di tagliare sezioni piane prefissate di lamiera in quadrotti o nastri Viene eseguita su una pressa grazie ad uno stampo composto da due parti: Matrice vincolata alla parte fissa della pressa Punzone solidale con la slitta Il punzone penetra nella lamiera e la attraversa asportando un profilo di materiale di sagoma pari alla sezione del punzone LIUC - Ingegneria Gestionale 52

53 Tranciatura LIUC - Ingegneria Gestionale 53

54 Punzonatura e tranciatura LIUC - Ingegneria Gestionale 54

55 Stampo progressivo LIUC - Ingegneria Gestionale 55

56 Tranciatura su centri di lavorazione lamiere I centri di lavoro a controllo numerico possono essere utilizzati ove non risulta conveniente un grande investimento in stampi Il magazzino di punzoni e matrici del centro di lavoro consente di ottenere con una traiettoria definita punto-punto su un piano x-y una grande varietà di sagome anche complesse di tranciatura. Esistono anche teste di taglio laser per sagome molto complesse LIUC - Ingegneria Gestionale 56

57 Centro di lavorazione lamiera LIUC - Ingegneria Gestionale 57

58 Centro di lavorazione lamiera LIUC - Ingegneria Gestionale 58

59 Imbutitura È il processo mediante il quale una lamiera piana viene sagomata secondo rilievi tridimensionali anche complessi È un processo utilizzato in gran parte nell industria automobilistica, degli elettrodomestici e dei contenitori Gli stampi prevedono la presenza di un premilamiera ad evitare possibili grinze in corrispondenza di imbutiture profonde Vengono generalmente utilizzate presse oleodinamiche LIUC - Ingegneria Gestionale 59

60 Schema di imbutitura Disporre la lamiera piana su una matrice Bloccaggio della lamiera mediante l applicazione di un premilamiera Un punzone mobile provvede a deformare il materiale e farlo scorrere entro il gioco previsto tra matrice e punzone Gli spigoli devono essere sufficientemente arrotondati LIUC - Ingegneria Gestionale 60

61 Schema di imbutitutra LIUC - Ingegneria Gestionale 61

62 Coniatura processo di imbutitura caratterizzato da: Minima profondità di deformazione Costanza dello spessore Consente anche di effettuare un operazione di calibratura, ovvero migliorare la qualità dimensionale del pezzo Non sono ammessi giochi per evitare qualunque ritorno elastico del materiale LIUC - Ingegneria Gestionale 62

63 Piegatura La lamiera viene piegata localmente mediante stampi, rulli, punzoni È normalmente l operazione che segue la tranciatura quando il pezzo preveda una sagoma non piana Esistono due tipi di piegatura: Libera ovvero senza l uso di uno stampo specifico, bensì solo mediante l appoggio della lamiera su dei supporti e l azione deformante di un punzone In stampo quando la sagoma non è banale e necessita di uno stampo vero e proprio composto da matrice e punzone LIUC - Ingegneria Gestionale 63

64 Piegatura libera LIUC - Ingegneria Gestionale 64

65 Piegatura in più passaggi LIUC - Ingegneria Gestionale 65

66 LIUC - Ingegneria Gestionale 66

67 Curvatura o calandratura Consiste nel curvare una superficie piana al fine di ottenere un cilindro La lamiera è fatta passare tra gabbie di cilindri a distanze regolabili in modo da definire il raggio di curvatura (diametro del cilindro) LIUC - Ingegneria Gestionale 67

68 Calandratura LIUC - Ingegneria Gestionale 68

69 Calandratura LIUC - Ingegneria Gestionale 69